Как работают кодеки и зачем они нужны?

Это наводит нас на вопрос, зачем вообще нужны кодеки? Из-за принципов работы протокола Bluetooth, наушники физически не могут использовать всю ширину его пропускного канала. Плюс к смартфону могут быть подключены другие беспроводные гаджеты вроде фитнес-браслета, которым тоже нужно время на передачу данных. Поэтому даже Bluetooth пятой версии, который имеет предельную пропускную способность в 6.25 Мб/с на деле с трудом передает аудиопоток в 990 кбит/с.


Основной список Bluetooth кодеков довольно большой (свои решения есть у Samsung и Huawei), поэтому чтобы упростить материал, мы пройдемся лишь по самым основным:

  • SBC — стандартный bluetooth-кодек, который поддерживается всеми устройствами
  • aptX — наиболее распространенные кодеки от Qulacomm, которые часто встречаются в смартфонах на Android
  • aptX HD — обновленная версия aptX, которая плотно забивает Bluetooth-канал, и с оговорками способна передавать аудио в СD-качестве
  • AAC — если упростить, то это альтернатива aptX, которая в основном используется в технике Apple
  • LDAC — новый Hi-Res кодек от Sony способный передавать аудио c битрейтом 990 кбит/с

Основным показателем качества кодека как правило выступает битрейт, то есть качество передаваемого аудиосигнала. Проблема в том, что высокий битрейт напрямую не гарантирует, что кодек А окажется лучше, чем кодек Б. Скорее это похоже на мегапиксели в смартфонах, которыми обожают оперировать маркетологи. Поэтому дальше мы разберем, как пятерка популярных кодеков ведет себя в реальности и какие параметры работы кодека важны помимо битрейта. Но для начала нам нужен небольшой ликбез, как вообще работает компрессия аудио и что означает его битрейт.

Как работает сжатие звука


Битрейт — скорость передачи или обработки цифровых данных по каналу. В аудио это обычно количество означает килобит в секунду. Чем выше битрейт трека, тем больше места он займет на вашем компьютере. Как правило, аудио CD занимает довольно много места, поэтому стало обычной практикой сжимать эти файлы. К примеру, у файлов MP3 при конвертации из WAV срезаются края звукового спектра, которые мы плохо воспринимаем и которые сложно воспроизводить аудиотехнике. Как правило это самый глубокий бас в районе 20 Гц и самый верх от 20 000 Гц. И чем сильнее степень сжатия/ниже битрейт, тем сильнее подрезаны эти края. Если MP3 c битрейтом 320 кбит/с зачастую сложно отличить от оригинала, то сильно порезанный файл с битрейтом 128 кбит/с может звучать так же паршиво, как песня, записанная с радио на старенькую кассету.

А теперь из виртуального кабинета по физике давайте перенесемся в виртуальную студию Atlantic и посмотрим, как работает современная индустрия звукозаписи. Сейчас почти всю музыку пишут с расчетом на стриминги, портитивные колонки и эйрподсы. Рынок диктует правила, поэтому в современной поп-музыке архиважно, плотность и максимальная громкость звука, чтобы «качало» из любого корыта. Поэтому уезжать на необитаемый остров, чтобы записать условный «Dark Side Of The Moon» сейчас мало кто захочет. Это и экономически невыгодно, и смысла мало: многочисленные детали, отсылки и малозаметные эффекты попросту утонут в ритмичной каше, которую воспроизводят дешевые портативные колонки и наушники.

Не откроем Америку сказав, что смысл в высоком битрейте есть только в том случае, если вы слушаете что-то заковыристое. Например сложные оркестровки, витиеватые джазовые пассаж или богатый на детали рок. При этом у вас должны быть качественные наушники, способные воспроизвести нюансы композиции, и хороший плеер с качественным ЦАП, который все это дело грамотно конвертирует. Именно поэтому аудиофильская техника такая дорогая.

Подробное знакомство с кодеками


SBC

SBC — стандартный bluetooth-кодек с примитивной психоакустической моделью и адаптивной импульсно-кодовой модуляцией. С одной стороны это очень гибкий кодек, который позволяет настроить оптимальное соотношение между качеством звука и величиной задержки передаваемого сигнала. Он показывает отличное качество аудио на высоких битрейтах (450 кбит/с и выше) и выдает 328 кбит/с с пределом в 19 кГц в режиме «высокое качество». Этого хватит для большинства слушателей, которые не причисляют себя к аудиофилам. Тогда почему на SBC так часто жалуются?

Он поддерживает динамическое изменение параметра Bitpool, который напрямую влияет на битрейт. Изначально он был создан для передачи речи, поэтому его гибкая природа позволяла не прерывать связь, если увеличивалось расстояние между устройствами или эфир был забит. Сейчас производители беспроводных наушников как правило устанавливают лимит Bitpool на значении 53, чтобы получить на выходе битрейт 328 кбит/с. Однако из-за установленного внутреннего ограничения Bluetooth-стеков и отсутствия фиксированных профилей, разработчики могут играть с параметром Bitpool как душе угодно. И никак не указывать это в характеристиках устройства. В результате одни качественные наушники с SBC играют отлично, другие подешевле звучат плоско, мутно и при этом ощутимо шумят. Как показал тест замечательного усилителя FiiO BTR1K с наушниками JBL Everest Elite 750NC Цена от 10 389 до 14 343 р., качество звука между SBC, AAC и AptX едва различимо, если они находятся в равных условиях.

aptX и aptX HD


Придуманный в 1988 году кодек, главная прелесть которого заключается в простоте. Фактически у нас есть только параметр частоты дискретизации (16, 32, 44.1, 48 кГц), который напрямую влияет на значение битрейта. В отличие от SBC, aptX не будет «обрезать» частоты, а будет добавлять в них шумы квантования, уменьшая динамический диапазон аудио. При создании кодека, авторы рассчитывали коэффициенты ADPCM на наборе музыкальных аудиофайлов, поэтому в реальности (т. е. при прослушивании музыки) он показывает себя лучше, чем в синтетических тестах.


Несмотря на огромную распространенность aptX, он был отнюдь не идеален, поэтому несколько лет назад главный производитель мобильных процессоров Qualcomm презентовал улучшенную версию кодека, aptX HD. Основные изменения коснулись количества бит, необходимых для кодирования частотных диапазонов, увеличилась разрядность до 24 бит, а максимальный битрейт ограничен 576 кбит/с. Его разработку стимулировал рост популярности мобильного Hi-Res-аудио. В целом, это наиболее оптимальный Bluetooth-кодек, который позволяет передавать звук в качестве, близком к CD. Однако он пока не так распространен, как свой младший брат, из-за необходимости дополнительного лицензирования у Qualcomm.


Помимо этого у aptX есть несколько вариаций. Low Latency-версия aptX с минимальной задержкой буфера в 30 – 40 мс, которая практически незаметна. Полезная штука, если вы часто используете гарнитуру. А новенький AptX Adaptive по сути объединяет текущие кодеки aptX HD и aptX Low Latency, пытаясь нащупать оптимальный баланс между величиной задержки и качеством аудио.

AAC

AAC с технической точки зрения является довольно сложным кодеком с серьезной психоакустической моделью. Как правило передает звук с максимальным битрейтом 320 кбит/с, реже в 256 кбит/с. В обоих случаях обеспечивается отличное качество. При более низком битрейте дает качество, аналогичное aptX. Но есть один нюанс.


AAC как правило используется в технике Apple (хотя, и не принадлежит ей), но частенько его можно встретить и в Android-смартфонах. Но если Apple использует один и тот же высококлассный кодировщик Apple AAC, то на андроид может быть что угодно: от кодировщика Fraunhofer FDK AAC до аппаратных SoC решений с неизвестными параметрами кодирования. На выходе получается ситуация как SBC — буквы на коробке одни и те же, а звук заметно отличается.

LDAC


Широко-разрекламированный супер-кодек от Sony, способный делать доселе невозможное — передавать по Bluetooth-каналу loseless-аудио. Поддерживает частоту дискредитации 96 кГц, 24-битную разрядность и адаптивный битрейт вплоть до 990 кбит/с. Казалось бы, на этом месте можно закурить и расслабленно посмотреть вдаль. Человечество решило еще одну важную проблему, беспроводные наушники с LDAC теперь играют как аудиофильские проводные модели. Но не все так гладко. Sony не раскрывает подробности о программном декодере и спецификации кодека, что усложняет анализ. Спецы из SoundGuys.com раскопали, что по структуре LDAC сильно напоминает кодек из PS4 с MDCT и сжатием по алгоритму Хаффмана.

Из-за адаптивной структуры и плавающего битрейта LDAC работает в трех разных режимах: в идеале это loseless-качество с битрейтом 990 кбит/с, если же есть проблемы с соединением, то он сбрасывает битрейт ниже. В таком случае качество недалеко уходит от обычного aptX HD. К примеру, уровень шума на 15 кГц в режиме 660 кбит/с великоват даже для 16-битного сигнала, что уже говорить о 24 битах. А в режиме приоритетного соединения LDAC показывает даже больший уровень шума, чем стандартный SBС. Причем в режиме «высокое качество» LDAC начинают терять пакеты на уровне -60 дБ (против -70 дБм у aptX HD), что говорит о не самой высокой стабильности.


Поэтому LDAC не особо любит работать на максимуме возможностей, сбрасываясь в более простые режимы, чтобы вы не нервничали из-за задержек и потери связи. Все это наводит на аналогию со спорткаром, который вынужден ехать со скоростью 50 км/ч потому что дорога разбита.

Что еще влияет на качество звука?


Если у вас есть пара минут свободного времени, то перейдите по ссылке https://btcodecs.valdikss.org.ru/sbc-encoder/ на сервис для сравнения качества кодеков и попробуйте загрузить хорошо знакомую песню. Дальше можно переключаться между несколькими профилями и убедиться в том, что между SBC, aptX и aptX HD нет особой разницы в качестве. А SBC действительно начинает трещать, если снизить значение Bitpool до 37 и ниже.

Так в чем фокус? И почему на любом форуме люди готовы ломать копья, доказывая что LDAC в разы круче aptX? Дело в аппаратной части, а именно в цифровом обработчике сигналов (DSP). Производители Bluetooth-аппаратуры могут настроить DSP для каждого кодека раздельно, меняя настройки эквалайзера, компандера, компрессии и стерео. Из-за этого при переключении между кодеками слушателю будет казаться, что он слышит различия между ними, хотя на самом деле это различия DSP.

Вывод


Какой вывод можно сделать из всего этого? Уровень технологий и качество беспроводных наушников за последний год-полтора кардинально выросло. Если раньше аудиофилы обходили такую технику стороной, а true wireless наушники покупали в основном в спортзал, то сейчас мы видим, как все большее количество именитых производителей выпускает беспроводные наушники Роллс-Ройсы. К примеру Beyerdynamic Amiron Wireless Цена от 49 900 до 54 900 р. от Beyerdynamic, которые стоят кучу денег и предназначены для серьезной студийной работы. И это отличные новости.

Плохие новости в том, что судьбу не обмануть и за топовое качество беспроводного аудио придется хорошенько заплатить. Поэтому не стоит гоняться за кодеками в надежде, что недорогой смартфон и наушники с LDAC будут играть как аудиофильская аппаратура. И ни в коем случае не покупайте совсем уж копеечную аппаратуру с сомнительной сертификацией Bluetooth и непонятной интеграцией кодеков. От нее будут одни проблемы.

Если же вернуться к рассмотренным кодекам, то напрашивается следующий вывод.

  • Если вам нужна просто музыка на фоне, пока катаешься на велосипеде или готовишь обед, вполне хватит обычного SBC. Если повезет с качеством наушников и смартфона, то получите звучание на уровне AAC и aptX.
  • AAC, AptX и AptX HD выглядят оптимальным выбором по соотношению качества, стабильности работы и вариативности техники с их поддержкой. Оба имеют фиксированные битрейты и коэффициенты кодирования, поэтому вы всегда знаете, какое именно качество получите. Имеет смысл использовать AAC только на устройствах Apple, а на Android ограничиться aptX.
  • А LDAC рассчитан на требовательных слушателей с отлично натренированным слухом и тугим кошельком.